保卫 Java 应用程序的安全沙箱机制你需要了解一下

如果你经常阅读源码,你会发现 Java 的源码中到处都有类似于下面这一段代码

class File {
  // 判断一个磁盘文件是否存在
  public boolean exists() {
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null) {
      security.checkRead(path);
    }
    ...
  }
}

这明显是一个安全检查代码,检查的是你是否有访问磁盘路径的权限,为什么 Java 语言需要这样的安全检查代码呢?我们再看看客户端套接字的 connect 函数源码,它需要检查用户是否有connect 某个网络地址的权限

class Socket {
  public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) {
    ...
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null) {
       if (epoint.isUnresolved())
          security.checkConnect(epoint.getHostName(), port);
       else
          security.checkConnect(addr.getHostAddress(), port);
       }
    }
    ...
  }
}

再看服务端套接字的源码,它会检查端口的监听权限

class ServerSocket {
  public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) {
    ...
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null)
       security.checkListen(epoint.getPort());
    ...
  }
}

似乎所有和 IO 操作有关的方法调用都需要进行安全检查。跟 IO 操作相关的权限检查似乎还可以理解,不是所有的 IO 资源用户进程都是可以随意访问的。但是连环境变量都不让随意读,而且限制的还不是所有环境变量,而是某个具体的环境变量,这安全检查是不是有点过了?

class System {
  public static String getenv(String name) {
    SecurityManager sm = getSecurityManager();
    if (sm != null) {
       sm.checkPermission(new RuntimePermission("getenv."+name));
    }
    return ProcessEnvironment.getenv(name);
  }
}

这是因为 Java 的安全检查管理器和操作系统的权限检查不是一个概念,Java 编写的不只是服务端应用程序,它还可以作为客户端跑在浏览器上(Applet),它还可以以 app 的形式跑在手机上(J2ME),针对不同的平台 JVM 会使用不同的安全策略。对于 Applet 而言,受限尤其严苛,通常都不允许 Applet 来操作本地文件。待 Java 的安全检查通过后执行具体的 IO 操作时,操作系统还会继续进行权限检查。

我们平时在本地运行 java 程序时通常都不会默认打开安全检查器,需要执行 jvm 参数才会打开

$ java -Djava.security.manager xxx
$ java -Djava.security.manager -DDjava.security.policy="${policypath}"

因为安全限制条件可以定制,所以还需要提供具体的安全策略文件路径,默认的策略文件路径是 JAVA_HOME/jre/lib/security/java.policy,下面让我们来看看这个文件里都写了些什么

// 内置扩展库授权规则
// 表示 JAVA_HOME/jre/lib/ext/ 目录下的类库可以全权访问任意资源
// 包含 javax.swing.*, javax.xml.*, javax.crypto.* 等等
grant codeBase "file:${{java.ext.dirs}}/*" {
 permission java.security.AllPermission;
};

// 其它类库授权规则
grant {
 // 允许线程调用自己的 stop 方法自杀
 permission java.lang.RuntimePermission "stopThread";
 // 允许程序监听 localhost 的随机可用端口,不允许随意订制端口
 permission java.net.SocketPermission "localhost:0", "listen";
 // 限制获取系统属性,下面一系列的配置都是只允许读部分内置属性
 permission java.util.PropertyPermission "java.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vendor", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vendor.url", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.class.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "os.name", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "os.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "os.arch", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "file.separator", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "path.separator", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "line.separator", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.specification.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.specification.vendor", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.specification.name", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.vendor", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.name", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.vendor", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.name", "read";
};

grant 如果提供了 codeBase 参数就是针对具体的类库来配置权限规则,如果没有指定 codeBase 就是针对所有其它类库配置的规则。

安全检查没有通过,那就会抛出 java.security.AccessControlException 异常。即使安全检查通过了,操作系统的权限检查仍然可能通不过,这时候又会抛出其它类型的异常。

授权规则采用白名单,依据上面的配置意味着启用默认安全策略的 JVM 将无法访问本地文件。如果需要访问本地文件,可以增加下面的规则

permission java.io.FilePermission "/etc/passwd", "read";
permission java.io.FilePermission "/etc/shadow", "read,write";
permission java.io.FilePermission "/xyz", "read,write,delete";
// 允许读所有文件
permission java.io.FilePermission "*", "read";

Permission 的配置参数正好对应了它的构造器参数

public FilePermission(String path, String actions) {
  super(path);
  init(getMask(actions));
}

Java 默认安全规则分为几大模块,每个模块都有各自的配置参数

其中 AllPermission 表示打开所有权限。还有一个不速之客 HibernatePermission,它并不是内置的权限模块,它是 Hibernate 框架为自己订制的,这意味着安全规则是支持自定义扩展的。扩展也很简单,可以自己编写一个 Permission 子类,实现它的 4 个抽象方法。

abstract class Permission {
  // 权限名称,对于文件来说就是文件名,对于套接字来说就是套接字地址
  // 它的意义是子类可定制的
  private String name;
  // 当前权限对象是否隐含了 other 权限
  // 比如 AllPermission 的这个方法总是返回 true
  public abstract boolean implies(Permission other);
  // equals 和 hashcode 用于权限比较
  public abstract boolean equals(Object obj);
  public abstract int hashCode();
  // 权限选项 read,write,xxx
  public abstract String getActions();
}

class CustomPermission extends Permission {
  private String actions;
  CustomPermission(string name, string actions) {
    super(name)
    this.actions = actions;
  }
  ...
}

JVM 启动时会将 profile 里面定义的权限规则加载到权限池中,用户程序在特定的 API 方法里使用权限池来判断是否包含调用这个 API 的权限,最终会落实到调用权限池中每一个权限对象的 implies 方法来判断是否具备指定权限。

class CustomAPI {
  public void someMethod() {
    SecurityManager sec = System.getSecurityManager();
    if(sec != null) {
      sec.CheckPermission(new CustomPermission("xname", "xactions"));
    }
    ...
  }
}

启用安全检查,将会降低程序的执行效率,如果 profile 里面定义的权限规则特别多,那么检查效率就会很慢,使用时注意安全检查要省着点使用。

沙箱的安全检查点非常多,下面列举一些常见的场景

  1. 文件操作
  2. 套接字操作
  3. 线程和线程组
  4. 类加载器控制
  5. 反射控制
  6. 线程堆栈信息获取
  7. 网络代理控制
  8. Cookie 读写控制

如果你的服务端程序开启了安全检查,就需要在 policy 配置文件里打开很多安全设置,非常繁琐,而且配置多了,检查的性能也会产生一定损耗。这点有点类似 Android 的应用权限设置,在每个 Android 应用的配置文件里都需要罗列出一系列应用子权限。不过用 Java 来编写服务端程序似乎开启安全检查没有任何必要。

原文发布于微信公众号 - 码洞(codehole)

原文发表时间:2018-12-08

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